基于VPMCD的中性點(diǎn)經(jīng)低阻接地風(fēng)電場集電線路單相接地智能區(qū)段定位

朱永利， 彭 華， 胡智強(qiáng)

(1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.浙江圖盛輸變電工程有限公司，浙江 溫州 325000)

0 引 言

隨著“碳達(dá)峰-碳中和”國家戰(zhàn)略的推進(jìn)，風(fēng)電、光伏等高比例可再生能源在電網(wǎng)中的滲透率逐步提高。風(fēng)電場為有效利用風(fēng)資源、匯集風(fēng)電機(jī)組的功率，大多建于自然環(huán)境條件惡劣的山脊或海島，而集電線路作為該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，最容易引發(fā)短路故障。故障嚴(yán)重的情況下，可造成風(fēng)電場整體脫網(wǎng)，進(jìn)而破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，風(fēng)電場內(nèi)多風(fēng)機(jī)電源接入，構(gòu)成多分支、非線性網(wǎng)絡(luò)，故障機(jī)理復(fù)雜致使物理建模十分困難[1]。因此，單相接地短路下實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場的有效定位，可促進(jìn)風(fēng)能這種清潔能源的替代，改善生態(tài)環(huán)境，而且對(duì)恢復(fù)風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)電可靠外送、保障電網(wǎng)的安全供電具有實(shí)際意義。

風(fēng)電場的隨機(jī)性、非線性導(dǎo)致常規(guī)定位思路難以有效識(shí)別故障位置?，F(xiàn)有的故障定位方法主要包括：行波法[2-7]、故障分析法[8-11]、組合法[12，13]、智能算法[14-17]等。行波法已成功應(yīng)用于簡單雙端網(wǎng)絡(luò)，而對(duì)于混合多端風(fēng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)，則會(huì)存在時(shí)域波頭標(biāo)定失敗的風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[7]通過對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行插值處理以提高采樣率，進(jìn)而增加波頭檢測的精度，同時(shí)優(yōu)化修正行波波速，實(shí)現(xiàn)了多分支輸電線路故障距離的準(zhǔn)確計(jì)算，但風(fēng)電場的線路極短，應(yīng)用該方案無法完成測距。故障分析法穩(wěn)定性高，但故障機(jī)理復(fù)雜，易導(dǎo)致求解波動(dòng)方程困難且耗時(shí)較長。文獻(xiàn)[11]采用R-L模型構(gòu)建線性方程組，并引入多項(xiàng)式插值和系數(shù)逆矩陣1范數(shù)量化估計(jì)的直流配電網(wǎng)單端測距方法，然而選擇數(shù)據(jù)窗長較大時(shí)，將顯著加大運(yùn)行計(jì)算時(shí)間，性價(jià)比不高。組合法的本質(zhì)是將兩種及以上定位方法相結(jié)合進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)、取長補(bǔ)短。文獻(xiàn)[13]將矩陣算法和粒子群優(yōu)化算法相結(jié)合，綜合兩者優(yōu)點(diǎn)能夠快速、高容錯(cuò)性定位不同配電網(wǎng)系統(tǒng)的故障區(qū)段。

人工智能技術(shù)可從多影響因素耦合作用下、復(fù)雜多變的故障波形數(shù)據(jù)中提煉出用于定位的精確信息，故智能算法在該研究領(lǐng)域中應(yīng)用較多，前景廣闊[15]。文獻(xiàn)[16]采用Prony算法對(duì)暫態(tài)電壓信號(hào)提取自然頻率的主頻和2倍頻作為特征量，并基于遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)回歸模型準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)了直流輸電系統(tǒng)的故障測距。文獻(xiàn)[17]提出一種自適應(yīng)CNN的33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)故障線選擇及雙端故障點(diǎn)定位方法，通過改進(jìn)模型的池化層來提高自動(dòng)特征提取能力，性能優(yōu)于深度置信網(wǎng)絡(luò)，但深度學(xué)習(xí)算法的訓(xùn)練定位時(shí)間較長，并不能夠滿足實(shí)時(shí)性要求較高的配電網(wǎng)、風(fēng)電場等實(shí)際應(yīng)用場景。

本文在5 G智慧風(fēng)電場建設(shè)的背景下，提出一種基于變量預(yù)測模型的類型判別(Variable Predictive Model Based Class Discriminate，VPMCD)的集電線路智能區(qū)段定位新方法。仿真分析了混合多端風(fēng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)，并提取零序電流的基頻分量作為風(fēng)電故障的特征量，構(gòu)建定位樣本庫。此外，針對(duì)每一區(qū)段類別，自動(dòng)為各個(gè)特征值選擇最優(yōu)的變量預(yù)測模型(VPM)，以建立VPMCD故障定位器，其中誤差平方和指標(biāo)最小對(duì)應(yīng)的類別即被識(shí)別為故障發(fā)生的區(qū)段。最后，通過算例仿真及同支持向量機(jī)(Support Vector Machine，SVM)對(duì)比分析驗(yàn)證了所提方法的快速性與精確性。

1 風(fēng)電場網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

常見風(fēng)電場屬于典型的混合多端輻射網(wǎng)絡(luò)，一般是由升壓站、Z型接地變壓器、集電線路和風(fēng)電機(jī)組等主要電力設(shè)備組成，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆姎饨Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 風(fēng)電場網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱DFig. 1 Topological graph of wind farm network

由圖1的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇芍?，集電系統(tǒng)呈鏈形結(jié)構(gòu)，采用電纜線同架空線混聯(lián)的連接形式。多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組均通過箱式變壓器經(jīng)一段較短的電纜線連接至集電線路，匯集風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)電功率再由較短的電纜線接入主變壓器的35 kV側(cè)，之后經(jīng)110 kV高壓輸電線路實(shí)現(xiàn)風(fēng)功率可靠外送，并將其輸入到電網(wǎng)系統(tǒng)側(cè)。為確保風(fēng)電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，Z型接地變壓器通常安裝于主變壓器低壓側(cè)35 kV母線上，由此可構(gòu)成零序通路。

2 風(fēng)電場故障特征提取

2.1 故障區(qū)段特性分析

信號(hào)處理技術(shù)是風(fēng)電場特征提取的關(guān)鍵和前提，其好壞會(huì)直接影響故障定位的結(jié)果。FFT[18]作為一種高效頻譜分析方法，不僅能夠快速將時(shí)域轉(zhuǎn)化為頻域，而且可準(zhǔn)確提取幅值分量，適于對(duì)風(fēng)電場單相接地信號(hào)進(jìn)行故障特征分析。

本文利用FFT算法提取的零序電流基頻分量對(duì)故障區(qū)段進(jìn)行特性分析。研究的風(fēng)電場網(wǎng)絡(luò)敷設(shè)有2條電纜線與架空線混合的集電線路，每條集電線路由相鄰風(fēng)電機(jī)組可總共劃分為8個(gè)區(qū)段，1-16為區(qū)段編號(hào)，測量儀器則安裝于區(qū)段的首端位置。在風(fēng)電場集電線路1的不同區(qū)段上設(shè)置過渡電阻的阻值分別為0 Ω、25 Ω、50 Ω、75 Ω和100 Ω的A相接地短路，進(jìn)行電磁暫態(tài)故障仿真。其中，因限于篇幅，以區(qū)段1-230 m經(jīng)100 Ω過渡電阻發(fā)生A相接地故障為例進(jìn)行相關(guān)展示，即測點(diǎn)1的零序電流波形數(shù)據(jù)及其各頻率分量如圖2所示。注：區(qū)段a-bm(表示區(qū)段a-距首端升壓站35 kV母線的距離為bm，a為區(qū)段編號(hào)，b為距離長度，m為長度單位)

圖2 測點(diǎn)1的零序電流波形數(shù)據(jù)及其各頻率分量(故障條件：區(qū)段1-230 m，100 Ω，A相接地故障)Fig. 2 The zero sequence current waveform data and its frequency components of measuring point 1 (fault conditions: section 1-230 m, 100 Ω, A phase grounding fault)

2.2 零序電流特征構(gòu)建

分析風(fēng)電場自身特點(diǎn)，主變壓器繞組以及風(fēng)電機(jī)組與集電線路間的箱式變壓器繞組均采用Y0/△結(jié)構(gòu)方式，因此，系統(tǒng)側(cè)和風(fēng)電機(jī)組側(cè)的不對(duì)稱接地故障、三相不平衡均不會(huì)影響零序網(wǎng)絡(luò)，且應(yīng)用零序電流進(jìn)行故障特征構(gòu)建具有較高的可靠性和可行性。

風(fēng)電場網(wǎng)絡(luò)中測量儀器采集的故障數(shù)據(jù)是高維時(shí)序的，若考慮直接輸入零序電流波形序列，則存在過高冗余，計(jì)算量大等問題，進(jìn)而導(dǎo)致巨額的上傳、運(yùn)行成本。此外，零序電流波形序列的特征維度超高，引起學(xué)習(xí)器的訓(xùn)練時(shí)間過長、定位效率低下，由此不能滿足實(shí)時(shí)性要求較高的風(fēng)電場實(shí)際應(yīng)用場景。

綜合上述經(jīng)濟(jì)性和耗時(shí)性兩方面因素，需要對(duì)零序電流波形序列進(jìn)行特征提取，以實(shí)現(xiàn)故障數(shù)據(jù)的降維處理。單相接地短路時(shí)，依據(jù)圖2分析設(shè)計(jì)特征量，利用FFT對(duì)測量儀器采集的零序電流提取其基頻分量幅值，相關(guān)特征標(biāo)號(hào)和特征描述如表1所示。

表1 風(fēng)電場的零序電流特征Tab.1 Zero sequence current features of wind farm

3 基于VPMCD的風(fēng)電場故障區(qū)段自動(dòng)定位

3.1 VPMCD算法

VPMCD[19，20]簡單、無需優(yōu)化調(diào)參，是一種采用VPM的機(jī)器學(xué)習(xí)方法。設(shè)風(fēng)電場的某一故障區(qū)段可用特征向量描述，即X=[X1,X2,…Xp]，其中，特征量Xi會(huì)與另外的1個(gè)甚至多個(gè)特征量間存有函數(shù)關(guān)系。當(dāng)故障發(fā)生于集電線路不同區(qū)段時(shí)，該函數(shù)關(guān)系將呈現(xiàn)出一定的差異性。為識(shí)別風(fēng)電場的故障區(qū)段，需構(gòu)建能夠表征不同區(qū)段下其特征量函數(shù)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型VPM，可供選擇VPM類型的定義和相應(yīng)細(xì)節(jié)如表2所示。

在表2中，4種類型均屬于多項(xiàng)式響應(yīng)面模型，隨機(jī)選取一種數(shù)學(xué)模型，并利用特征量Xj(j≠i)預(yù)測特征量Xi，由此可得Xi所對(duì)應(yīng)VPMi的通用數(shù)學(xué)表達(dá)式為

Xi=f(Xj,b0,bj,bjj,bjk)+e

(1)

式中：e為VPMi的預(yù)測誤差。

對(duì)于風(fēng)電場的某一故障區(qū)段，若確定VPMi的類型、階數(shù)及Xi的預(yù)測變量，則可由最小二乘法回歸求解式(2)獲得其參數(shù)的估計(jì)值：

表2 不同VPM類型的定義和相應(yīng)細(xì)節(jié)

Xi=D·B

(2)

(3)

(4)

3.2 基于VPMCD的風(fēng)電場故障區(qū)段自動(dòng)定位設(shè)計(jì)

本文采用的智能技術(shù)VPMCD原理簡單，無需優(yōu)化參數(shù)，可有效避免人工設(shè)定分類閾值難題，并對(duì)風(fēng)電場集電線路自動(dòng)判別故障發(fā)生的區(qū)段位置。此外，其定位精度高、速度快，單相接地故障區(qū)段分類融合了不同區(qū)段的故障特征信息，同時(shí)考慮了直接輸入高維零序電流波形序列帶來的冗余特性。

圖3 基于VPMCD的風(fēng)電場故障區(qū)段自動(dòng)定位框架Fig. 3 Automatic fault section location framework of wind farm based on VPMCD algorithm

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 風(fēng)電場仿真設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證本文VPMCD故障區(qū)段自動(dòng)定位框架的有效性，采用PSCAD/EMTDC進(jìn)行風(fēng)電場單相接地故障仿真設(shè)計(jì)，110 kV/35 kV的風(fēng)電場網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。由圖4可知，在35 kV母線上掛有兩條集電線路出線，且每條線路搭建8臺(tái)2 MW的雙饋風(fēng)機(jī)。集電線路類型為電纜線(YJLV23-26/35kV-3×240)-架空線(LGJ240)的混聯(lián)形式，電纜線長度設(shè)定為100 m，架空線長度則考慮地理?xiàng)l件因素和風(fēng)資源分布不均的制約，相鄰風(fēng)機(jī)分支間各區(qū)段的尺寸一般不同，故將其標(biāo)注在集電線路上，集電線相關(guān)電氣參數(shù)的設(shè)定依據(jù)如表3所示。風(fēng)電場35 kV網(wǎng)絡(luò)不同于常規(guī)配電網(wǎng)，其中性點(diǎn)的接地方式采用大電流接地。此外，過高的采樣頻率不切合實(shí)際風(fēng)電場的現(xiàn)場應(yīng)用要求，因而單相接地故障時(shí)，信號(hào)的采樣頻率選取1 600 Hz，以在滿足風(fēng)電場定位準(zhǔn)確性的前提下，保證其定位效率。

圖4 風(fēng)電場網(wǎng)絡(luò)的仿真設(shè)計(jì)Fig. 4 Simulation design of wind farm network

表3 集電線相關(guān)電氣參數(shù)的設(shè)定依據(jù)

風(fēng)電場的訓(xùn)練故障樣本集在建立VPMCD模型中可發(fā)揮重要作用，因而選擇覆蓋面廣泛的、代表性強(qiáng)的故障場景作為生成標(biāo)準(zhǔn)。鑒于風(fēng)電場仿真運(yùn)行時(shí)間問題，該數(shù)據(jù)集構(gòu)建條件包含：①以第一條集電線路為研究對(duì)象；②單相接地短路下設(shè)置不同故障狀態(tài)混合，詳細(xì)如表4所示。

表4 訓(xùn)練故障樣本集構(gòu)建條件Tab.4 Construction conditions of training fault sample set

4.2 典型位置的故障區(qū)段自動(dòng)定位

在風(fēng)電場的不同典型位置隨機(jī)設(shè)置故障發(fā)生的位點(diǎn)，以較全面驗(yàn)證基于VPMCD的故障區(qū)段定位的準(zhǔn)確性。選取區(qū)段1～60 m為研究對(duì)象，即靠近母線節(jié)點(diǎn)在電纜線上設(shè)定A相接地故障，過渡電阻100 Ω，其誤差平方和指標(biāo)和區(qū)段定位結(jié)果如圖5所示。同樣地，將故障點(diǎn)設(shè)置在不同區(qū)段的架空集電線上，其誤差平方和指標(biāo)及輸出的故障區(qū)段編號(hào)如表5所示。

圖5 VPMCD故障區(qū)段辨識(shí)結(jié)果Fig. 5 Fault section identification results of VPMCD

由圖5和表5可知，該方法對(duì)于電纜集電線和架空集電線各類型故障條件均適用，能夠通過誤差平方和指標(biāo)精確將故障點(diǎn)鎖定在實(shí)際故障發(fā)生的區(qū)段。此外，VPMCD故障區(qū)段定位器能夠解決節(jié)點(diǎn)附近故障誤判問題，例如區(qū)段1～60 m，僅區(qū)段1對(duì)應(yīng)的誤差平方和目標(biāo)函數(shù)值最小，為0.835 6，定位區(qū)段1，滿足多端混聯(lián)的風(fēng)電場網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用。

表5 典型位置的誤差平方和指標(biāo)及輸出的故障區(qū)段編號(hào)Tab.5 The index of the sum of squares for error and the number of the output fault section under typical locations

4.3 智能VPMCD區(qū)段定位抗過渡電阻影響分析

前節(jié)探究了風(fēng)電場在特定過渡電阻下的故障區(qū)段定位效果，但因故障的不確定性，使過渡電阻呈現(xiàn)出多樣化的阻值。通過PSCAD/EMTDC設(shè)置多種過渡電阻情形，特別需含有中間阻值(即與訓(xùn)練故障樣本集的阻值不同)，采用VPMCD故障區(qū)段定位器對(duì)故障區(qū)段進(jìn)行辨識(shí)，其誤差平方和指標(biāo)及輸出的故障區(qū)段編號(hào)如表6所示。

由表6可知，對(duì)于不同區(qū)段和過渡電阻，在所有誤差平方和指標(biāo)中，只有相對(duì)應(yīng)區(qū)段的目標(biāo)函數(shù)計(jì)算值最小，其余區(qū)段則相對(duì)較大。此外，面對(duì)中間阻值的故障，無需增加原始訓(xùn)練故障樣本依然可精確辨識(shí)故障區(qū)段。因此，該方法具有較強(qiáng)的抗過渡電阻能力和模型通用性，可推廣至風(fēng)電場多種故障場景。

表6 不同過渡電阻的誤差平方和指標(biāo)及輸出的故障區(qū)段編號(hào)Tab.6 The index of the sum of squares for error and the number of the output fault section under different fault resistances

4.4 智能VPMCD區(qū)段定位抗量測誤差影響分析

考慮到實(shí)際工程中采用零序電流互感器測量零序電流(35kV母線處)以及采用電流互感器測量獲取三相電流，然后合成零序電流(集電線路除母線處)時(shí)會(huì)存在一定誤差，量測誤差一般為±0.5%、±1%等。因此，需分析不同實(shí)測幅值誤差對(duì)智能VPMCD區(qū)段定位結(jié)果的影響。同樣選取區(qū)段1-60 m為研究對(duì)象，設(shè)定A相接地故障，過渡電阻100，區(qū)別是在該測試樣本上人為整體改動(dòng)±0.5%、±1%，其誤差平方和指標(biāo)和區(qū)段定位結(jié)果如表7所示。

表7 不同量測誤差的誤差平方和指標(biāo)及輸出的故障區(qū)段編號(hào)

由表7可知，隨著量測誤差的改變，誤差平方和指標(biāo)變化不大，且只有區(qū)段1對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)計(jì)算值最小，其余區(qū)段則遠(yuǎn)大于區(qū)段1。表明，該方法不受實(shí)際量測誤差的影響，具備一定的實(shí)用性。

4.5 智能算法性能比較

表8從精度和效率兩方面比較了VPMCD與SVM的故障區(qū)段定位效果，以進(jìn)一步說明本文方法在風(fēng)電場中使用的優(yōu)越性。SVM：采用RBF進(jìn)行訓(xùn)練。因選擇的懲罰因子C和RBF參數(shù)g會(huì)對(duì)識(shí)別精度與泛化能力產(chǎn)生直接影響，故利用網(wǎng)格搜索法10折交叉驗(yàn)證對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終確定最優(yōu)C、g的取值均為0.1。

表8 不同智能算法的性能比較Tab.8 Performance comparison of different intelligent algorithms

由表8可知，定位精度方面：風(fēng)電場集電線路中，VPMCD和SVM算法均能準(zhǔn)確對(duì)單相接地故障區(qū)段進(jìn)行識(shí)別定位，證明本文故障特征提取的有效性；定位效率方面：VPMCD比SVM算法具有更高的分類效率，定位運(yùn)算時(shí)間可節(jié)省12.3 s，復(fù)雜度更低。綜上比較分析，VPMCD更能快速準(zhǔn)確的自動(dòng)識(shí)別故障區(qū)段，故更適用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的風(fēng)電場集電線路的定位。

5 結(jié) 論

本文在5 G智慧風(fēng)電場建設(shè)的背景下，針對(duì)風(fēng)電場內(nèi)多風(fēng)機(jī)電源接入導(dǎo)致單相接地短路后定位精度差、效率低的難題，提出一種基于VPMCD的集電線路智能故障區(qū)段定位方法。其中，主要獲取如下結(jié)論：

(1)設(shè)置單相接地故障，電網(wǎng)系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)均不會(huì)影響零序電流，具備一定的可靠性，且采用FFT對(duì)冗長的零序電流序列提取其基頻分量幅值，建立區(qū)段定位樣本庫，定位成本低、耗時(shí)短。

(2)建立了VPMCD故障區(qū)段定位器，無需主觀選擇、優(yōu)化參數(shù)，并利用訓(xùn)練好的VPM結(jié)合誤差平方和指標(biāo)，通過目標(biāo)函數(shù)最小原則自動(dòng)輸出故障區(qū)段的編號(hào)，PSCAD/EMTDC仿真證明，VPMCD方法的定位效果優(yōu)于SVM方法，具有較強(qiáng)的通用性和較高的實(shí)時(shí)性，能夠滿足如今風(fēng)電場網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場運(yùn)維的要求。